气动机械手控制系统设计

目录之中。

机电工程学院

课程设计说明书设计题目: 气动机械手控制系统设计

学生姓名：

学号： 20094805

专业班级：机制F09

指导教师：

2012 年12 月12 日

内容摘要

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从工业机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机械工业和铁路工业等部门的重视。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温、抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。PLC可以按照所需要求完成机械手的设计，使机械手的设计简单化，大大节省了时间。本文应用西门子S7—200系列PLC来实现气动机械手的搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）的控制功能。利用可编程技术结合相应的硬件装置，控制气动机械手完成各种动作。该系统具有结构简单、可靠稳定、容易控制等优点。

关键词：气动机械手；S7—200系列PLC；CPU226；

目录

第1章引言 (1)

第2章系统总体方案设计 (2)

2.1程序设计的基本思路 (2)

2.2气动机械手的控制要求 (2)

2.3系统的硬件结构与操作功能 (2)

2.3.1硬件结构 (2)

2.3.2气动机械手的操作功能 (3)

第3章 PLC控制系统设计 (4)

3.1可编程控制器的CPU选择 (4)

3.2气动机械手的I/O地址分配表 (4)

3.3PLC的输入输出设备接线图 (5)

3.4气动机械手控制流程图 (6)

3.5程序设计梯形图 (7)

3.6语句表 (15)

3.7PLC程序调试 (23)

结论 (30)

设计总结 (31)

谢辞 (32)

参考文献 (33)

第1章引言

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用。

第2章系统总体方案设计

2.1 程序设计的基本思路

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求，然后根据程序的控制要求画出程序工作状态流程图，最后根据程序工作状态流程图及程序的控制要求画出梯形图。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后。而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑，这样有利于程序的运行。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化。此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性，这样在修改程序时能节省很多时间。下面介绍一种基于PLC的气动机械手的控制方法。机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，首先应画出机械手工作状态流程图，然后根据流程图所提供的思路进行程序设计。

2.2 气动机械手的控制要求

1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动。

2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1，右行、左行的电磁阀线圈为YV

3、YV4。

3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现。线圈通电时夹紧工作，断电时松开工作。

4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现。

5、机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现。

2.3 系统的硬件结构与操作功能

2.3.1 硬件结构

机械手用来将工件从A点搬运到B点（如图2-1），输出Q0.1为1时工件被夹紧，为0时被松开。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板下部的9个按钮式手动按钮分别对用于紧急停车、启动、停止、下降、上升、右行、左行、夹紧、松开。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM。PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开

负载电源。

机械手示意图如图2-1所示。

图2-1 机械手示意图

2.3.2 气动机械手的操作功能

系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图2-2）。

在手动工作方式下，用I0.5—I1.2对应的6个按钮分别独立控制机械手的升、降、左右行和夹紧松开。

在单周期的工作方式下，按下启动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。

在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。

图2-2 操作面板

第3章 PLC控制系统设计

3.1 可编程控制器的CPU选择

根据设计可知需要17个输入接口，5个输出接口，通过查阅手册选择S7-200 CPU226基本单元（24DI/16DO出）1台。CPU226有24个输入端口，16个输出端口，满足气动机械手对输入输出端口的要求，不需要再增加扩展单元，它属于整体式结构。整体式PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。模块式PLC把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。综上所述，应选择S7-200CPU226基本单元。

3.2 气动机械手的I/O地址分配表

气动机械手的I/O地址分配表如表3-1所示。

表3-1 I/0地址分配表

3.3 PLC的输入输出设备接线图

PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计应结合系统的控制要求来进行具体分析和设定。PL C的外部接线图应尽量做到简洁明了以便于观察，出现故障时也便于维修，这样的外部接线图才是合理的外部接线图。气动机械手控制外部接线图如图3-1所示。

图3-1 PLC的输入输出设备的接线图

3.4 气动机械手控制流程图

原理：接通电源使系统启动开始扫描，扫描手动时判断手动按钮是执行手动操作；扫描回原点开关，是执行回原点操作；扫描单步开关，是执行单步操作；扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作；扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。

图3-2 气动机械手控制流程图

3.5 程序设计梯形图

○A